0
Spalanie miału i groszku

Spalanie miału i groszku

Spalanie miału i groszku w palnikach węglowych (retortach)

Niniejszy artykuł ma na celu zwrócić Państwa uwagę na istotne zagadnienia dotyczące budowy i prawidłowej pracy palnika w układzie kotła z automatycznym podawaniem paliwa do komory spalania w aspekcie właściwości fizykochemicznych paliwa.

 

O palnikach węglowych, zwanych popularnie "retortą", używanych wautomatycznych kotłach na paliwa stałe, pisano już niejednokrotnie, analizując przebieg procesu spalania w tych konstrukcjach. Nazwa retorta wydaje się być nie do końca prawidłowa, przywarła jednak do tego urządzenia zapewne już na stałe. Trudno jednoznacznie stwierdzić, skąd ona pochodzi, być może od naczynia chemicznego, które nosi taką właśnie nazwę i ma kształt kolana (fajki) albo z angielskiego nazewnictwa tego typu paleniska - ang. retort furnace, retort boiler. W niniejszym materiale zostanie użyta bardziej poprawna technicznie nazwa, a mianowicie - palnik węglowy.

Niestety brakuje technicznej literatury, która dawałaby nam rzetelne i wiarygodne informacje na temat tego rozwiązania konstrukcyjnego do spalania paliw stałych w wymiarze techniczno- teoretycznym, zwłaszcza z uwzględnieniem zmiennej jakości paliwa.

Większość artykułów, które się ukazywały, podejmowało temat dość ogólnie: w zasadzie na podstawie obserwacji użytkowników kotłów z palnikiem węglowym lub informacji osób prowadzących różnego rodzaju testy i eksperymentalne badania. Należy tutaj szczególnie docenić obserwacje użytkowników tych urządzeń, bez nich wiedza na temat tego rozwiązania konstrukcyjnego do spalania paliw stałych, zwłaszcza węgla, byłaby na pewno o wiele uboższa.

 

Zasada pracy

Pracę palnika węglowego, stosowanego w kotłach małej mocy z automatycznym wprowadzaniem paliwa do procesu spalania, należy rozpatrywać w powiązaniu z innymi elementami kotła, które determinują uzyskanie optymalnych parametrów spalania: temperatury spalania, czasu przebywania mieszanki paliwo- utleniacz w odpowiednio wysokiej temperaturze oraz stosunku utleniacza (powietrza spalania) do wprowadzanego paliwa do palnika, a także sposobu jego wprowadzania do paleniska. Należy także uwzględnić wpływ właściwości fizykochemicznych paliwa.

 

Paliwo

W przypadku węgla, jako paliwa stosowanego do palnika węglowego - retorty, stawiane są wysokie wymagania w zakresie jego parametrów technologicznych, a więc parametrów, które pośrednio wpływają na przebieg procesu spalania w tego typu rozwiązaniu konstrukcyjnym, na jego sprawność energetyczną przetworzenia energii chemicznej paliwa w energię użyteczną. Do takich parametrów należy zdolność spiekania węgla określana liczbą Rogi, skład ziarnowy paliwa oraz temperatury charakterystyczne popiołu zawartego w paliwie, zwłaszcza temperatury topnienia i mięknienia popiołu. Te właściwości fizykochemiczne determinują stabilność wprowadzania paliwa do palącej się warstwy paliwa stałego w złożu oraz zachowanie się złoża spalanego paliwa. Ogólnie przyjęto, że liczba Rogi (RI) dla węgla spalanego w warstwie generalnie powinna być jak najniższa. Wysoka spiekalność powoduje utrudnienie lub wręcz uniemożliwienie równomiernego wprowadzania paliwa do strefy spalania w palniku wskutek przechodzenia ziaren paliwa przez fazę plastyczną substancji organicznej węgla, tworzenia spieków i "kanałów" zaburzających prawidłowy przebieg procesu odgazowania i spalania paliwa. Powstający karbonizat z węgla o wysokiej spiekalności charakteryzuje się strukturą małej porowatości, wskutek czego popiół powstający w procesie spalania ma strukturę żużla o dużej zawartości części palnych. Z kolei niska temperatura mięknienia popiołu powoduje występowanie zjawiska "szlakowania" w obszarze formowania się żużla w górnej warstwie paliwa w palniku, co również dezorganizuje właściwy przebieg procesu spalania, powodując wzrost części palnych w żużlu oraz wzrost emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Jak wskazano powyżej, istotnym parametrem jakości paliwa jest także odpowiednia dystrybucja poszczególnych frakcji ziarnowych, zwłaszcza udziału podziarna i nadziarna.

Zbyt duża ilość podziarna powoduje problemy mechaniczne pracy układu podawania paliwa do palnika oraz jest przyczyną mniejszej przewiewności złoża, powodując zjawisko "kanałowania" złoża spalanego paliwa. Z kolei duża ilość nadziarna powoduje powstawanie wzrostu części palnych w żużlu/popiele i tym samym dużych strat niecałkowitego spalania. Właściwości węgli do pierwszych palników węglowych - kotłów retortowych, dostępnych na rynku pod koniec lat 90 ubiegłego stulecia, uwzględniały te parametry: zawartość wilgoci Wr, < 12%, popiołu Aa < 10%, części lotnych Va > 28%, siarki Sad < 0,6%, zdolność spiekania RI <5, temperatura mięknienia popiołu tA> 1200°, uziarnienie 4-31,5 mm, przy czym dla kotłów o mocy nominalnej, poniżej 100 kW, górna granica rozmiaru ziaren nie powinna przekraczać 25 mm.

 

Modyfikacje palnika

Początkowo palniki węglowe były przeznaczone do spalania kwalifikowanego sortymentu węglowego groszku o powyżej wymienionych optymalnych właściwościach i nadal są w przypadku znaczącej większości konstrukcji palników węglowych (retort). Jak wiadomo dostępność węgli o takich parametrach jakościowych jest ograniczona. Obserwowany brak odpowiednio dużej ilości węgla o niskiej wartości liczby Rogi oraz dostępność kwalifikowanych miałów węglowych i ich cena przyczyniły się do zainteresowania rozwojem technicznym konstrukcji palników węglowych oraz podajników paliwa, które umożliwiałyby spalania sortymentów węgla o wyższej spiekalności i dużym udziale drobnych frakcji ziarnowych w paliwie (miałów węglowych).

Wychodząc temu naprzeciw, kilka lat temu wprowadzono na rynek palniki typu AZP MR z przeznaczeniem do spalania kwalifikowanych sortymentów węglowych, tzw. eko-groszku, jak i, co bardzo istotne, miału węglowego, z uwzględnieniem ich wyższej spiekalności. Spalanie miału jest możliwe dzięki odpowiedniej konstrukcji układu palnik-podajnik paliwa. Ruszt posiada nacięcia, przez które jest dostarczane wtórne powietrze spalania. Zmodyfikowana konstrukcja podajnika paliwa w układzie z takim palnikiem węglowym umożliwia stosowanie paliwa o zdecydowanej przewadze udziału drobnych frakcji - miału. Zastosowanie odpowiednich konstrukcji kanałów doprowadzających pierwotne i wtórne powietrze spalania powoduje lepsze napowietrzanie złoża, tym samym lepszą homogenizację mieszaniny paliwoutleniacz/ powietrze spalania, sprzyja to także stosowaniu paliwa o większym udziale drobnych frakcji, czyli kwalifikowanego sortymentu miałowego.

Jak wspomniano powyżej, bardzo ważnym parametrem procesu spalania jest odpowiednia i stabilna w czasie ilość powietrza spalania w stosunku do ilości wprowadzanego paliwa, jego dystrybucja i sposób dostarczania do palnika. Konstrukcja kanałów i dysz powietrznych musi zapewnić jego swobodny dopływ do strefy utleniania w palniku, zapewniając w ten sposób prawidłową pracy palnika i zapobiegając awariom, które nieuchronnie nas czekają, gdy powietrze nie bydzie równomiernie dostarczane do procesu spalania, nie wspominając już o ekonomii spalania. By zapewnić spełnienie tych wymagań, konieczne jest okresowe czyszczenie przestrzeni, przez które jest dostarczane powietrze spalania. Z doświadczenia wiadomo, iż użytkownicy dość często zapominają o tej czynności, co powoduje problemy w prawidłowej pracy palnika paliwa stałego. Niewątpliwą zaletą tego typu palnika jest wyposażenie go w półautomatyczne czyszczenie kanałów powietrznych. Palnik jest wyposażony w odpowiedni układ dźwigni umieszczonej na zewnątrz kotła, połączonej z klapą umieszczoną w dolnej czyści konstrukcji palnika. Czyszczenie trwa dosłownie kilka/kilkanaście sekund. W palnikach tradycyjnych, niewyposażonych w ten system, czynność ta trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu minut, w zależności od usytuowania czyszczenia, i jest dość uciążliwa. W praktyce więc, ze względu na jej uciążliwość, rzadko jest ono wykonywane przez użytkownika. Zastosowanie półautomatycznego czyszczenia umożliwia uproszczenie do minimum czynności czyszczenia wnętrza palnika i zachęca użytkownika do jego prawidłowej eksploatacji.

Ruchomy ruszt w znaczącym stopniu zapobiega występowaniu zjawiska spiekania substancji organicznej węgla. Mechaniczny ruch tego rusztu powoduje zrywanie powstających spieków w czasie wprowadzania węgla o podwyższonej spiekalności, poprawia również "napowietrzenie" spalanej warstwy paliwa.

Zastosowanie stali do konstrukcji palnika ogranicza również powstawanie spieczonych ziaren "karbonizatu" w dolnej czyści komory palnika (spieki powstają w wysokiej temperaturze). Stąd w przypadku konstrukcji żeliwnych, o dość grubych ścianach kumulujących ciepło, temperatura w dolnej strefie tygla jest dość wysoka, występują warunki sprzyjające powstawaniu spieków. Natomiast w konstrukcji stalowej palnika temperatura jego ścian jest znacznie niższa, w porównaniu do żeliwnych palników, i tym samym zagrożenie powstawaniem spieków jest mniejsze. Bardzo ważną innowacją w rozwiązaniu konstrukcyjnym tego palnika jest wspomniany powyżej ruchomy ruszt.

 

Deflektor

Pracy palnika węglowego , jak wykazano powyżej, należy rozpatrywać w powiązaniu z innymi elementami konstrukcyjnymi kotła, które determinują uzyskanie wysokiej sprawności energetycznej i ekologicznej kotła. Tym bardzo ważnym elementem jest deflektor/zawirowywacz mieszaniny gazów procesowych umieszczony nad palnikiem. Deflektor, zwany też odpromiennikiem, jest zazwyczaj pomijany w dyskusjach i artykułach dotyczących palników, a ma duże znaczenie w polepszaniu procesu spalania. Jego zadaniem jest wydłużenie czasu przebywania mieszaniny gazów procesowych w czyści paleniskowej kotła poprzez zmiany ich kierunku rozpływu, gdzie jest wysoka temperatura oraz spowodowanie wzrostu stopnia homogenizacji mieszanki reakcyjnej. To z kolei wpływa na zmniejszenie ilości produktów niepełnego i niecałkowitego spalania. spalane miału i eko groszku

Deflektor odbija także część energii opuszczającej złoże spalanego paliwa stałego i w postaci promieniowania cieplnego zawraca do złoża. Dostarczona w ten sposób energia podnosi temperaturę złoża i powoduje zmniejszenie stopnia wypalenia paliwa oraz bardziej stabilne jego spalanie. Deflektor powoduje również powstrzymanie unosu popiołu ze spalania paliwa przed szybką "ucieczką" z komory kotła. Badania potwierdzają, że kształt, forma deflektora i odpowiednie usytuowanie w stosunku do powierzchni złoża paliwa w palenisku podnoszą sprawność energetyczną i ekologiczną kotła.

Jak wykazują obserwacje i badania, nie bez znaczenia jest materiał, z którego wykonany jest deflektor. Przykładowo odpromiennik ceramiczny kumuluje ciepło i oddaje je powoli, a wewnętrzna część deflektora jest wklęsła i wymusza zmiany kierunku rozpływu powietrza i spalin w komorze spalania.

Dobrze zaprojektowany i skonstruowany układ podajnika paliwa, palnika i deflektora nie gwarantuje jeszcze uzyskania zakładanego korzystnego efektu. Niestety dość dużo użytkowników nie zdaje sobie sprawy z tego, jak ważne dla prawidłowej i bezawaryjnej pracy palnika jest sterowanie i kontrola jego pracy, co z kolei przekłada się na komfort obsługi. Na co więc należy zwrócić szczególną uwagę przy wyborze kotła? Tutaj należy krótko wspomnieć o ważnym jego elemencie, bez którego regulacja byłaby niemożliwa, mianowicie o sterowniku lub regulatorze pracy kotła (obie te nazwy są używane równoprawnie). Kotły stosowane do celów grzewczych w warunkach eksploatacyjnych bardzo rzadko pracują z obciążeniem 100% mocy nominalnej. Zmiana zapotrzebowania na ciepło grzewcze, będąca konsekwencją zmiennej temperatury zewnętrznej, powoduje, że kocioł w warunkach eksploatacji u użytkownika pracuje ze zmienną mocą w szerokim zakresie. Sterownik powinien w pełnym zakresie mocy nadążać z kontrolą pracy układu podajnik paliwa/palnik, wentylator wprowadzający powietrze spalania. Aktualnie stosowane kotły w większości wykorzystują układ sterowania pracą kotła (mocą kotła) realizowany poprzez okresowe załączanie i wyłączanie podajnika paliwa z jednoczesnym włączaniem wentylatora podmuchu. Te sterowniki wykorzystują podstawowy tryb pracy układu ze stałą wartością czasu pracy i ilością podawanego paliwa oraz stałą wartością nastawy wentylatora. Moc kotła regulowana jest czasem włączenia i wyłączenia kotła, a ta z kolei jest regulowana temperaturą wody obiegowej lub temperaturą spalin w czopuchu.

Nie siląc się tutaj na wyczerpanie problemu sterowania, stanowi ono bowiem obszerne zagadnienie w świetle rozwoju systemów sterowania procesem spalania, należy zwrócić uwagę na trzy podstawowe parametry prostej kontroli pracy palnika:

spalane miału i eko groszku

- ilość podawanego paliwa mierzona czasem pracy podajnika paliwa,

- przerwa między kolejnymi podaniami mierzona czasem przerwy w pracy podajnika,

- ilość dostarczanego powietrza do spalania mierzona nastawą obrotów wentylatora.

 

Ilość podawanego paliwa jest uzależniona od zapotrzebowania mocy kotła, ale jest determinowana jego wartością opałową. Z kolei ilość podawanego powietrza do palnika jest uzależniona od ilości podawanego paliwa, od zapotrzebowania - stosunku nadmiaru powietrza charakterystycznego dla danego paliwa. Jest więc ona bezpośrednio uzależniona od jakości paliwa, jego wartości opałowej.

Nabywcy i użytkownicy kotłów/pieców z palnikiem węglowym często zadają pytanie o ustawienia fabryczne pracy sterownika. Niestety nie można jednoznacznie stwierdzić, czy są, czy też ich nie ma. Ustawienia sterownika proponowane w dokumentacji kotła są ogólnymi, średnimi wartościami pracy kotła dla paliwa stosowanego zazwyczaj do jego badań certyfikacyjnych. Każde z tych urządzeń pracuje w innych warunkach, na innych obciążeniach cieplnych i z zastosowaniem paliwa o różnej charakterystyce jakościowej. Dlatego też nadzór pracy kotła przez użytkownika w fazie uruchomienia kotła z palnikiem węglowym po jego zainstalowaniu i po zmianie rodzaju paliwa wymaga jednak obserwacji procesu spalania, ze szczególnym uwzględnieniem czasu podawania paliwa, długości przerwy pomiędzy kolejnymi dawkami opału, jak i ilości dostarczanego powietrza. Te parametry powinny być tak dobrane, aby spalające paliwo tworzyło formę spłaszczonego stożka z osypującym się na pierścień retorty wypalonym żużlem/ popiołem dennym. Nie należy dopuścić, aby proces palenia się paliwa przemieszczał się do wewnętrznej części komory/tygla palnika, co może doprowadzić do nieprawidłowej pracy kotła (niezapewniającej dostarczenia potrzebnej ilości ciepła) oraz do fizycznego uszkodzenia palnika.

Drugim ważnym parametrem jakościowej oceny pracy palnika jest jakość popiołu. Nie powinien on zawierać cząstek niedopalonego paliwa. Spalany opał powinien się całkowicie dopalić, w przeciwnym przypadku

mamy straty wynikające z dużej zawartości części palnych w popiele dennym/żużlu (tzw. niedopał), czyli nie wykorzystujemy całej energii zawartej w paliwie. W skrajnych przypadkach niedopalone w palniku paliwo może nam się spalać w popielniku, co może doprowadzić do uszkodzenia konstrukcji kotła, zwłaszcza palnika. Stopień wypalenia paliwa jest uzależniony także od ilości dostarczanego powietrza. Zbyt duży nadmiar powietrza spalania powoduje, iż część, która nie bierze udziału w spalaniu, staje się balastem, co pogarsza nam sprawność energetyczną kotła, a co więcej zbyt intensywny strumień powietrza może nam studzić powierzchnię spalanego paliwa, powodując obniżenie temperatury złoża i wzrost udziału niedopału. Zjawisko to może się nasilać podczas przejścia ze stanu spoczynkowego do stanu pracy palnika, co jest bardzo niekorzystne, gdyż wystudzenie złoża poniżej temperatury zapłonu produktów odgazowania węgla może doprowadzić do wygaśnięcia kotła. Występuje to szczególnie w przypadku węgli posiadających wysokie właściwości spiekające.

Zbyt mała ilość powietrza jest również niekorzystna, gdyż intensywność spalania może być zbyt mała. W konsekwencji temperatura spalania będzie niska, powodując wzrost udziału niedopału, wzrost ilości nieopalonej substancji organicznej w spalinach, spadek sprawności energetycznej oraz wzrost emisji tlenku węgla, zanieczyszczeń organicznych i pyłu, objawiających się emisją dymu w spalinach. Generalnie, wizualna obserwacja płomienia powinna dawać obraz intensywnego palenia, ale bez zbyt dużego wyrzucania iskier. Występowanie intensywnego iskrzenia może wskazywać na zbyt dużą ilość powietrza wprowadzanego do procesu spalania. Taka regulacja będzie nam dawała określoną pewność, że palnik będzie pracował prawidłowo. Okresowo należy jednak kontrolować pracę kotła i ewentualnie skorygować nastawy. Ponowna kontrola nastaw sterownika będzie konieczna po nowej dostawie paliwa, zwłaszcza gdy pochodzi od innego dostawcy lub gdy ma inną charakterystykę jako produkt handlowy.

Należy jednak podkreślić, że optymalnym rozwiązaniem dla uzyskania oczekiwanych efektów stosowania kotła z palnikiem węglowym jest ustawienie pracy jego sterownika przez serwis producenta kotła (korzystanie z okresowych przeglądów), stosowanie odpowiedniego paliwa zalecanego w dokumentacji kotłowej, stosowanie dobrych praktyk w eksploatacji kotła oraz okresowa kominiarska kontrola stanu instalacji kominowej, zgodnie z regulacjami prawnymi.

Nie można jednak nie zauważyć, że nie ma rozwiązań idealnych, doskonałych, co nie zwalnia nas z obowiązku dążności do takiego stanu rzeczy. Jedynym sposobem na ciągłe doskonalenie są stałe badania nad nowymi konstrukcjami i ich stałe ulepszanie, włącznie z systemami sterowania i zarządzania pracą kotła oraz jakością paliw stałych, dla uzyskania maksimum energii użytecznej z jednostki energii pierwotnej, energii chemicznej zawartej w paliwie przy minimalnym obciążeniu dla środowiska.

dr inż. Krystyna Kubic
Slawomir Śliwa
Źrodło:
"Magazyn Instalatora"
http://www.instalator.pl
Sierpień 2011

Nasza strona używa plików cookies. Jeśli chcesz możesz w każdej chwili wyłączyć je w opcjach swojej przeglądarki. OK, zamknij pasek lub dowiedz się więcej.